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功率设计

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谁在“驱动”工业4.0

导读: 技术进步与人力成本上升共同推动了工业制造升级,全球制造业发达地区都制订了相应的发展规划,例如“中国制造2025”、“工业4.0”及“工业互联网”。

技术进步与人力成本上升共同推动了工业制造升级,全球制造业发达地区都制订了相应的发展规划,例如“中国制造2025”、“工业4.0”及“工业互联网”。

在工业生产数字化、智能化过程中,我们也不应该遗忘真正“驱动”工业设备运转的半导体元器件,尤其是功率器件。如今,功率器件被广泛应用于各种工业设备中,用来控制、转换与调节系统的电压电流,从MOSFET、IGBT,到新兴的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)器件,不同类型的功率器件满足了不同工业应用环境的需要。

工业应用对功率器件的要求

面向工业设备的功率器件使用条件比较苛刻,有的应用需要24小时365天无间断运转。瑞萨电子大中国区汽车电子业务中心高级部门专家落合康彦指出,设计与研发功率器件时,必须考虑两点。“一个是损耗特性,由于无间断运转需求,如何减少器件所产生的损耗对工厂电费有直接影响。而且不同应用需要不同的开关频率,工程师需要按照实际开关频率要求,决定有限考虑的是导通损耗还是开关损耗,然后决定最佳的选择;第二是可靠性,特别是无人工厂,器件故障会直接影响到工厂运作造成损失,所以器件耐受性也是需要优先考虑。”

“工业设备和自动化产线对功率器件有绝对的依赖,这些设备通过功率器件实现能量转换,功能动作的实现也是通过控制功率器件来完成。”力特公司(Littelfuse)技术应用经理杜尧生认为,现在对功率器件的要求越来越高,高效率、低功耗、小尺寸,以及容易控制和方便应用,都是工业应用对功率器件的要求。

“应用于工业的功率器件必须可靠、高效、紧凑,能够耐受抛负载,而且能在宽输入电压范围保持输出稳定,”安森美半导体应用工程经理Jon Gladish则这样表示,“此外,电源转换的损耗要小,能够在较宽的温度范围工作。”

大功率器件

大功率器件主要用于工业应用,相比小功率器件,高电压、大电流的大功率器件在设计开发和应用中需要考虑的因素更多。

“大电流高电压的产品都要考虑应力设计问题,而且大功率器件通常不是一个理想的开关器件,所以在设计时需要充分注意导通损耗、电压变化率(du/dt)、电流变化率(di/dt)等问题,二极管的反向恢复时间也需要考虑。”力特杜尧生表示,功率器件电压设定也很重要,现在cool MOS电压到1200V已经接近极限,1700V和3300V只能采用IGBT,但力特的碳化硅(SiC)MOSFET却非常容易实现1200V和1700V的最低电压设计。

当然碳化硅MOSFET门极驱动是一个设计难点,因为碳化硅器件本身损耗小,开关频率可以设计到500KHz级别,所以驱动信号会非常快,除了电源绝缘,还要做好信号的绝缘隔离处理。高频信号也带来了电磁干扰问题,“抗干扰和抑制干扰都会变得头痛,工程师必须面对EMI问题,否则就会误触发引起器件失控。电路板的高频优化和多点接地系统设计也变成难点,系统设计既要进行时域分析,又要进行频域分析。”

安森美半导体Jon Gladish强调安全始终是功率器件应用的主要考虑因素,尤其是高电压、大电流的大功率器件。“UL认为,高于60V的电压接触到人体,将造成伤害,甚至会导致死亡,所以大功率器件在应用时,必须要充分考虑安全设计,满足爬电距离和电气间隙要求是高压器件应用安全的首要条件。”高压引脚周围的灰尘和异物也存在危害,功能缺陷更要注意排查。

由于大功率器件在工作中会产生大量的热,所以也需要特别注意其散热设计,尽可能减少由热膨胀失配引起的机械应力,以免发生危险。对如何进行散热设计,Jon Gladish提到几点:符合规范的PCB布局布线(PCB线的宽度、厚度和直径等因素都要考虑),优良的散热架构,选择热阻更小的封装材料等。

瑞萨电子落合康颜表示,高压大电流应用中,往往不是单个芯片来承担大电流,对于两个或多个芯片并联使用场景,最重要的是控制多个芯片之间的特性偏差。“芯片特性偏差产生电流偏差,电流集中的芯片将会出现过热甚至损毁的状况,所以控制器件制造工艺偏差非常关键。”

常见失效模式

功率器件失效往往会带来比较严重的后果。尤其在不间断电源、太阳能逆变器、电信和充电桩等工业应用中,如果功率器件在设备运行时出现故障,将可能导致多种二次故障,例如熔化、起火或者爆炸。“所以通常情况,工业系统有过压保护(OVP)金额过流保护(OCP)等故障检测功能,”Jon Gladish表示,依靠故障检测功能,出现功率器件失效情况时,系统可以及时切断供电,从而避免二次故障。

Jon Gladish总结了5种常见的功率器件失效模式:雪崩击穿;静电放电(ESD)或门极浪涌;体二极管反向恢复电流过大。可能会触发寄生BJT;长期工作在线性区,由于电流过大而导致的热失控;装配不当造成的封装损害。

落合康颜认为,根据瑞萨电子的统计,客户的失效问题90%以上是由于过电压或过电流造成的损坏,特别是IGBT和MOSFET等开关器件,在开关过程中发生的失效极多。“为防止此类失效,采用适当的驱动条件,并尽力抑制PCB寄生电感。”

“器件最常见的失效就电压击穿,短路烧毁,所以器件抗浪涌的能力必须强,抗冲击能力必须强。另外耐受电压的能力也要高。短路失效使我们最头疼的问题,因为器件短路对电源的沙胜利最大,可能会把整个电路板烧毁,甚至引起火灾。”杜尧生举了一个例子,工厂里运行的变频器通常是六个桥臂顺序工作,如果因为器件失效引发上下桥短路,没有保护的管子就会炸掉。“功率器件的短路保护是非常重要的设计环节,驱动板都会设定短路保护的时间,功率器件也会有最大短路电流标称。”

功率器件发展趋势

遵循摩尔定律的数字芯片更新换代非常迅猛,相比之下,功率器件发展比较缓慢,但也在不断演进,从最早的晶闸管技术,到GTO技术、MOSFET技术,再到IGBT、IGCT或IGET,这些以硅为基材的技术,在工作电压与损耗等参数上似乎已经达到了极限。“SiC技术的兴起和成熟,给功率器件带来了变革的曙光,”杜尧生表示,提高功率密度是目前功率器件技术的主要要求,电力传动系统和电力转换系统对能效比要求都很高,“力特的SiC产品,相比传统功率器件降低了80%的损耗,几乎变成了一个理想的开关器件。”

除了传统的IGBT,安森美半导体也在持续开发宽禁带器件技术,包括碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN),此外超级结和屏蔽栅极硅基MOSFET(shielded-gate silicon based MOSFET)也是重点投入方向。“产业趋势是设计开发出更快、导通电阻更小的器件,不断降低硅特征导通电阻(RSP)和开关损耗,以实现更高的能效和功率密度。”Jon Gladish指出,还有一个优化方向是新型封装,安森美的重点方向是低寄生电阻和电感的表面贴封装,以及增强散热能力的封装,例如双面冷却封装。

Jon Gladish将功率技术发展趋势总结为四个方向。首先是高压化,高压化趋势是为了提高能源效率;其次是模块化,通过更有效的热管理,来实现高额定功率;第三是先进技术研发,重点是基于硅技术和宽禁带(SiC和GaN等)材料的功率器件技术;最后是智能化,带保护功能的智能功率器件将更适合工业控制

智能化

Jon Gladish表示,虽然智能化功率模组(IPM)比普通分立器件方案更先进,对具体应用更优化,但用户并不一定会买账,因为智能功率模组通常价格更高,而且不是像分立器件这样的标准化产品。

但智能功率模组的优点更多。首先模组性能更出色,隔离度更高、散热性能更强,同时模组内还可包含完整的保护功能,例如过电压、欠流和热关断;其次使用模组可以减小系统尺寸,功率模组通常采用系统化封装,将MOSFET、IGBT、二极管和驱动电路(Gate Driver Unit,简称GDU)等裸片都封在一个封装里,从而节省系统空间;最后模组可靠性更高,智能功率模组比分立方案元器件数量更少,加工环节减少,保护措施更完善,散热性能更好,这些都意味着更高的可靠性和更长的寿命。

瑞萨电子落合康颜表示,在空调中使用IPM等功率较小的器件已经很广泛,但工业大功率器件通常是多个芯片并联使用,所以智能化也是整套设备的智能化。“比如在纯电动车中使用IGBT,瑞萨电子的想法并不是让IGBT本身变得智能化,而是对顾客提供包括IGBT的整个智能化变频器解决方案。”

“集成了驱动管理、热管理以及防护管理的智能化产品会让工程设计更加简洁,力特的产品会更加灵活好用,对整个工业应用也会带来变革,工业4.0也就是智能化制造的过程,这个过程离不开智能化的功率器件或模组。”设备信息化是实现工业4.0的基础,就如杜尧生所言,智能化是功率器件行业发展的大趋势。

总结

功率器件是保证工业设备正常运作的核心器件,严苛的工业应用场景对工业用功率器件的参数提出了更高要求,并需要在使用中增加多种保护措施以防止功率器件失效造成的灾难,高压化、模块化、智能化将是今后功率器件发展的主要趋势,宽禁带半导体技术也越来越受到重视。可以预见,在实现工业4.0过程中,智能化功率模块的接受度将越来越高。

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